DE102009056092B4 - Light source with a diode laser - Google Patents

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Abstract

Lichtquelle mit
a) einem elektrisch frei triggerbaren Diodenlaser (1) zur Erzeugung von Lichtpulsen;
b) einem mehrstufigen optischen Verstärker (2, 3) für die von dem Diodenlaser erzeugten Lichtpulse;
c) einer nichtlinearen Faser (4) zur spektralen Verbreiterung der verstärkten Lichtpulse;
d) einem Wellenlängenselektor (5) zur Selektion von Teilen des Spektrums der verstärkten und spektral verbreiterten Lichtpulse;
e) einer Steuerung (6) zur Regelung und Überwachung der Pumpleistungen aller optischen Verstärkerstufen (2, 3) derart, dass bei wechselnder mittlerer Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse eine konstante Pulsenergie der Lichtpulse bei der selektierten Wellenlänge sichergestellt ist.
Light source with
a) an electrically freely triggerable diode laser (1) for generating light pulses;
b) a multi-stage optical amplifier (2, 3) for the light pulses generated by the diode laser;
c) a non-linear fiber (4) for the spectral broadening of the amplified light pulses;
d) a wavelength selector (5) for selecting parts of the spectrum of the amplified and spectrally broadened light pulses;
e) a controller (6) for controlling and monitoring the pump powers of all the optical amplifier stages (2, 3) such that a constant pulse repetition frequency of the light pulses ensures a constant pulse energy of the light pulses at the selected wavelength.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Zur Messung der Fluoreszenzlebensdauer einzelner Moleküle wird eine Anregungslichtquelle benötigt, die Pulse generiert deren Wellenlänge im Absorptionsspektrum der untersuchten Substanz liegt und deren Pulsdauer deutlich kürzer als die erwartete Fluoreszenz-Lebensdauer ist. Zur Fluoreszenzanregung einzelner Moleküle in z. B. biologischen Proben genügen dabei Pulsenergien von 10 bis 20 pJ (pJ = Pikojoule).To measure the fluorescence lifetime of individual molecules, an excitation light source is required that generates pulses whose wavelength lies in the absorption spectrum of the substance under investigation and whose pulse duration is significantly shorter than the expected fluorescence lifetime. For fluorescence excitation of individual molecules in z. B. biological samples satisfy pulse energies of 10 to 20 pJ (pJ = picojoule).

Zur spezifischen Untersuchung molekularer Vorgänge in lebenden Zellen erlangen selbstfluoreszierende Proteine mehr und mehr Bedeutung. Der Absorptionsbereich dieser modifizierten Proteine reicht vom blauen bis in den orange/roten Wellenlängenbereich.For the specific investigation of molecular processes in living cells self-fluorescent proteins gain more and more importance. The absorption range of these modified proteins ranges from the blue to the orange / red wavelength range.

Blaue, rote und infrarote Anregungsquellen existieren in Form von gewinngeschalteten Diodenlasern mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich. Ihre Vorteile sind eine einfache Bedienung, Wartungsfreiheit und eine frei wählbare Repetitionsrate mit der Möglichkeit, einzelne Laserpulse beliebig zu triggern.Blue, red and infrared excitation sources exist in the form of gain-switched diode lasers with pulse durations in the picosecond range. Its advantages are simple operation, freedom from maintenance and a freely selectable repetition rate with the possibility of triggering individual laser pulses as desired.

Obwohl große Teile des Spektrums vom nahen UV bis zum nahen Infrarot durch direkte oder frequenzverdoppelte Diodenlaser abgedeckt sind, fehlt es nach wie vor völlig an vergleichbaren Anregungsquellen zwischen 530 nm und 630 nm. Gerade dieser Bereich gewinnt in der biologischen Forschung mit selbstfluoreszierenden Proteinen (Fluorescent Proteins: GFP (green fluorescent protein), YFP (yellow fluorescent protein), mStrawberry, mCherry, mRaspberry [http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorophore]) an Bedeutung. Außerdem wäre eine Anregungsquelle mit kontinuierlich durchstimmbarer Wellenlänge ein wichtiges Universalwerkzeug für die Grundlagenforschung.Although large parts of the spectrum from the near UV to the near infrared are covered by direct or frequency-doubled diode lasers, comparable sources of excitation between 530 nm and 630 nm are still lacking. It is precisely this field that is gaining in biological research with self-fluorescent proteins (Fluorescent Proteins) Green fluorescent protein (GFP), yellow fluorescent protein (YFP), mStrawberry, mCherry, mRaspberry [http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorophore]). In addition, an excitation source with continuously tunable wavelength would be an important universal tool for basic research.

Neben der wählbaren Wellenlänge hätte eine ideale Anregungsquelle für zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen auch eine frei wählbare Pulswiederholfrequenz.In addition to the selectable wavelength, an ideal excitation source for time-resolved fluorescence measurements would also have a freely selectable pulse repetition frequency.

Zur Aufzeichnung von Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildern möchte man einerseits eine möglichst hohe Wiederholfrequenz um die kürzestmögliche Messzeit zu erreichen. Andererseits muss die Periode zwischen zwei Pulsen lang genug sein, um den Fluoreszenzabfall hinreichend verfolgen zu können. Da die Fluoreszenz-Lebensdauern je nach untersuchtem Farbstoff variieren, ist eine Anpassung der Wiederholfrequenz je nach Messaufgabe wünschenswert.On the one hand, to record fluorescence lifetime images, one would like to achieve the highest possible repetition frequency by the shortest possible measuring time. On the other hand, the period between two pulses must be long enough to be able to follow the fluorescence decay sufficiently. Since the fluorescence lifetimes vary depending on the dye studied, an adjustment of the repetition frequency is desirable depending on the measurement task.

Sollen Wechselwirkungen zwischen mehreren Farbstoffen mittels Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) (ohne Fehler durch unvollständige FRET-Paare) untersucht werden, müssen mindestens zwei Anregungsquellen unterschiedlicher Wellenlänge in einem bestimmten zeitlichen Regime miteinander synchronisiert werden (PIE-FRET = Pulsed Interleaved Excitation FRET). Dazu sind elektrisch frei triggerbare Laser besonders vorteilhaft.If interactions between several dyes are to be investigated by means of Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) (without errors due to incomplete FRET pairs), at least two excitation sources of different wavelengths must be synchronized with each other in a specific time regime (PIE-FRET = Pulsed Interleaved Excitation FRET). For this purpose, electrically freely triggerable lasers are particularly advantageous.

Ein Superkontinuum, also weißes Licht, entsteht durch die gezielte Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte, wie Raman-Streuung, Vierwellenmischung und Selbstphasenmodulation, die eine Verbreiterung des Spektrums verursachen. Werden kurze infrarote Pulse mit einer sehr hohen Spitzenleistung in eine spezielle Photonische Kristallfaser (Photonic Crystal Fibre = PCF) eingekoppelt, so kann sich durch das Zusammenwirken der o. g. Effekte das Spektrum auf den gesamten sichtbaren Bereich verbreitern.A supercontinuum, that is, white light, arises from the targeted exploitation of non-linear optical effects, such as Raman scattering, four-wave mixing, and self-phase modulation, which cause the spectrum to broaden. If short infrared pulses with a very high peak power are coupled into a special Photonic Crystal Fiber (PCF), then the interaction of the above-mentioned o. G. Effects broaden the spectrum to the entire visible range.

Stand der TechnikState of the art

Durchstimmbare, gepulste Laser werden im sichtbaren Spektralbereich mit Hilfe von Weißlichtquellen erzeugt, kombiniert mit akustooptisch betriebenen Filtern (acousto optic tunable filters = AOTF) zur Isolierung von Pulsen. Diese Systeme basieren auf modengekoppelten Faserlasern, mit deren emittierten Pulsen ein Superkontinuum (Weißlicht) erzeugt wird. Prinzipbedingt arbeiten solche Laser statisch bei einer festen Wiederholrate. Mittels der akustooptischen Modulatoren (sogenannter Pulspicker) kann die Wiederholfrequenz zwar reduziert werden, ein externes Triggern und damit synchronisieren verschiedener Laserquellen für Pulsed Interleaved Excitation Anwendungen ist damit jedoch nicht zu realisieren. Pulspicker weisen auch meist nur eine Unterdrückung der Pulse mit einem Kontrast von 1:200 auf, womit ein substantieller Untergrund verbleibt, welcher bei Fluoreszenzmessungen extrem störend wirkt.Tunable pulsed lasers are produced in the visible spectral range using white light sources combined with acousto-optic tunable filters (AOTF) to isolate pulses. These systems are based on mode-locked fiber lasers, with whose emitted pulses a supercontinuum (white light) is generated. Due to the principle, such lasers work statically at a fixed repetition rate. Although the repetition frequency can be reduced by means of the acousto-optic modulators (so-called pulse pickers), an external triggering and thus synchronization of different laser sources for Pulsed Interleaved Excitation applications can not be realized thereby. Pulse pickers also usually have only a suppression of the pulses with a contrast of 1: 200, leaving a substantial background, which is extremely disturbing in fluorescence measurements.

Derartige Lichtquellen werden z. B. beschrieben in den Schriften US 5 999 548 A , US 7 277 169 B2 , US 7 224 518 B2 , US 2006/0159398 A1 , DE 101 15 590 A1 und US 6 097 870 A . Alle diese Lichtquellen basieren auf modengekoppelten Femtosekunden-Lasern mit fester Wiederholrate.Such light sources are z. B. described in the publications US 5,999,548 A . US Pat. No. 7,277,169 B2 . US Pat. No. 7,224,518 B2 . US 2006/0159398 A1 . DE 101 15 590 A1 and US 6 097 870 A , All these light sources are based on mode-locked femtosecond lasers with a fixed repetition rate.

Die US 2008/0037108 A1 beschreibt einen gepulst betriebenen Diodenlaser, der im sogenannten ”gain switching” (Gewinn-Schaltung) Modus betrieben wird und mit Hilfe einer nichtlinearen Faser breitbandiges Licht erzeugt. Bei dem beschriebenen Laser wird die Wiederholfrequenz vor Inbetriebnahme ausgewählt und kann während des Betriebs nicht geändert werden. Die Pumpleistung zum Betreiben des Lasers wird an die Wiederholfrequenz angepasst.The US 2008/0037108 A1 describes a pulsed diode laser operating in the so-called "gain switching" mode and generating broadband light using a nonlinear fiber. In the described laser, the repetition frequency is selected prior to start-up and can not be changed during operation. The pumping power to operate the laser is adjusted to the repetition frequency.

Die US 2009/0097512 A1 beschreibt eine optische Pulsquelle, bei der die Lichtpulse mithilfe einer nichtlinearen Faser spektral verbreitert werden. Anschließend können mit Hilfe eines Wellenlängen-Selektors beliebige Wellenlängen aus dem breitbandigen Spektrum selektiert werden. Auf diese Weise können schmalbandige Pulse in einem weiten Spektralbereich erzeugt werden.The US 2009/0097512 A1 describes an optical pulse source in which the light pulses are spectrally broadened by means of a nonlinear fiber. Subsequently, with the aid of a wavelength selector, arbitrary wavelengths can be selected from the broadband spectrum. In this way, narrowband pulses can be generated in a wide spectral range.

Aufgabetask

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Laserpulse von wenigen hundert Pikosekunden Pulsdauer bei einer wählbaren Wellenlänge in einem vorgegebenen zeitlichen Ablauf zu erzeugen.The present invention has for its object to generate laser pulses of a few hundred picoseconds pulse duration at a selectable wavelength in a predetermined time course.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.This object is achieved by the invention with the features of the independent claim.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Lichtquelle vorgeschlagen mit:

  • a) einem elektrisch frei triggerbaren Diodenlaser zur Erzeugung von Lichtpulsen;
  • b) einem mehrstufigen optischen Verstärker für die von dem Diodenlaser erzeugten Lichtpulse;
  • c) einer nichtlinearen Faser zur spektralen Verbreiterung der verstärkten Lichtpulse;
  • d) einem Wellenlängenselektor zur Selektion von Teilen des Spektrums der verstärkten und spektral verbreiterten Lichtpulse; und
  • e) einer Steuerung zur Regelung und Überwachung der Pumpleistungen aller optischen Verstärkerstufen derart, dass bei wechselnder mittlerer Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse eine konstante Pulsenergie der Lichtpulse bei der selektierten Wellenlänge sichergestellt ist.
To solve the problem, a light source is proposed with:
  • a) an electrically freely triggerable diode laser for generating light pulses;
  • b) a multi-stage optical amplifier for the light pulses generated by the diode laser;
  • c) a nonlinear fiber for spectral broadening of the amplified light pulses;
  • d) a wavelength selector for selecting parts of the spectrum of the amplified and spectrally broadened light pulses; and
  • e) a controller for controlling and monitoring the pumping power of all optical amplifier stages such that a constant pulse repetition frequency of the light pulses ensures a constant pulse energy of the light pulses at the selected wavelength.

Ein frei triggerbarer Diodenlaser erzeugt mit jedem elektrischen Signal einen einzelnen Lichtpuls bei einer bestimmten Wellenlänge mit einer Pulsdauer von Pikosekunden (ps) und einer Pulsenergie von Pikojoule. Die Pulsenergie und Pulsform sind weitgehend unabhängig von der Pulsperiode. Typische Pulsdauern liegen im Bereich von 10 bis 300 ps, vorzugsweise 50 bis 300 ps, weiter vorzugsweise 100 bis 200 ps.A freely triggerable diode laser generates with each electrical signal a single light pulse at a certain wavelength with a pulse duration of picoseconds (ps) and a pulse energy of picojoule. The pulse energy and pulse shape are largely independent of the pulse period. Typical pulse durations are in the range of 10 to 300 ps, preferably 50 to 300 ps, more preferably 100 to 200 ps.

Die Lichtquelle ist frei triggerbar. Frei triggerbar bedeutet, dass ein einzelner Laserpuls durch die Flanke eines elektrischen Steuersignals ausgelöst werden kann. Die zeitliche Abfolge der elektrischen Steuersignale bestimmt die zeitliche Abfolge der Laserpulse. Es können einzelne Pulse erzeugt werden, ebenso wie beliebige Pulsfolgen und periodisch sich wiederholende Pulsmuster. Ist das Steuersignal periodisch im ms-Bereich, stellt sich nach wenigen Periodendauern ein hochstabiles Ausgangssignal hinsichtlich Pulsenergie und Pulsbreite ein. Bei den derzeit üblichen frei triggerbaren Diodenlasern sind minimale Pulsabstände bis 10 ns möglich.The light source is freely triggerable. Freely triggerable means that a single laser pulse can be triggered by the edge of an electrical control signal. The time sequence of the electrical control signals determines the time sequence of the laser pulses. Individual pulses can be generated, as well as any pulse sequences and periodically repeating pulse patterns. If the control signal is periodic in the ms range, after a few periods a highly stable output signal with respect to pulse energy and pulse width is established. In the currently customary freely triggerable diode lasers, minimum pulse intervals of up to 10 ns are possible.

In einem nachfolgenden, mehrstufigen optischen Verstärker werden die Pulse um mehrere Größenordnungen auf Pulsenergien von Mikrojoule (μJ) verstärkt.In a subsequent multistage optical amplifier, the pulses are amplified several orders of magnitude to pulse energies of microjoules (μJ).

Diese sehr intensiven Pulse einer Wellenlänge verbreitern sich nachfolgend in einer speziellen nichtlinearen Faser (Photonische Kristallfaser, PCF) auf ein Spektrum von mehreren hundert Nanometern. Der Effekt der spektralen Verbreiterung hängt stark von der Pulsspitzenleistung ab, die in die Faser gespeist wird. Durch den Einsatz von Pulsen mit ca. 100 ps wird eine deutlich homogenere Spektralverteilung im Vergleich zu Systemen auf Basis von Femtosekunden erreicht.These very intense pulses of one wavelength subsequently broaden in a special nonlinear fiber (Photonic Crystal Fiber, PCF) to a spectrum of several hundred nanometers. The effect of spectral broadening depends strongly on the pulse peak power fed into the fiber. The use of pulses with approximately 100 ps results in a much more homogeneous spectral distribution compared to systems based on femtoseconds.

Im Ergebnis sind blau-verschobene Wellenlängen-Anteile im Bereich von 400 bis 1.000 nm, vorzugsweise 450 bis 800 nm, weiter vorzugsweise 500 bis 700 nm, erreichbar.As a result, blue-shifted wavelength components in the range of 400 to 1,000 nm, preferably 450 to 800 nm, more preferably 500 to 700 nm, can be achieved.

Die Lichtquelle ist nicht nur frei triggerbar, sondern auch durchstimmbar. Zu diesem Zweck besitzt sie einen Wellenlängenselektor zur Selektion von Teilen des Spektrums der verstärkten und spektral verbreiterten Lichtpulse. Als Wellenlängenselektor eignen sich z. B. ein AOTF (s. o.), Prismen, Gitter oder Filter.The light source is not only freely triggerable, but also tunable. For this purpose, it has a wavelength selector for selecting parts of the spectrum of the amplified and spectrally broadened light pulses. As a wavelength selector z. As an AOTF (see above), prisms, grids or filters.

Ferner wird die Lichtquelle von einer Steuerelektronik gesteuert.Furthermore, the light source is controlled by control electronics.

Mit dem Wellenlängenselektor können aus dem erzeugten Superkontinuum ein oder mehrere schmalbandige Bereiche ausgefiltert werden, womit eine frei triggerbare, durchstimmbare Lichtquelle geschaffen ist.With the wavelength selector one or more narrow-band ranges can be filtered out of the generated supercontinuum, thus creating a freely triggerable, tunable light source.

Der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen ist stufenlos und in weitem Bereich einstellbar.The time interval between the pulses is infinitely variable and can be adjusted over a wide range.

Durch eine Mehrzahl von einzelnen triggerbaren Lasern, die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen gestimmt sind, können ebenfalls Sequenzen von Pulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden.By a plurality of individual triggerable lasers, which are each tuned to different wavelengths, sequences of pulses of different wavelengths can also be generated.

Auf diese Weise können Wechselwirkungen zwischen fluoreszierenden Farbstoffen untersucht werden, die sich sowohl in ihren spektralen Eigenschaften als auch in ihrer Fluoreszenzlebensdauer unterscheiden.In this way, interactions between fluorescent dyes can be investigated, which differ both in their spectral properties and in their fluorescence lifetime.

Die Lichtquelle eignet sich für die Anwendung in der Beobachtung von Fluoreszenzdynamiken, also für die Spektroskopie und Mikroskopie, insbesondere für konfokale Mikroskopie, hierbei vorallem zur Analyse von Fluoreszenzlebensdauern (FLIM, fluorescence lifetime imaging), oder für die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS, fluorescence correlation spectroscopy). The light source is suitable for use in the observation of fluorescence dynamics, ie for spectroscopy and microscopy, in particular for confocal microscopy, in particular for the analysis of fluorescence lifetime imaging (FLIM, fluorescence lifetime imaging), or for fluorescence correlation spectroscopy (FCS, fluorescence correlation spectroscopy). ,

Die mittlere Leistung des gepulsten Eingangslasers hängt, bei konstanter Pulsenergie, linear von der Pulswiederholfrequenz ab. Bei einem frei triggerbaren Eingangslaser kann diese einen sehr weiten Bereich abdecken und sich, bei wechselndem Steuersignal, plötzlich ändern. Diesen Änderungen muss mit angepassten Pumpleistungen im optischen Verstärker begegnet werden.The average power of the pulsed input laser depends linearly on the pulse repetition frequency with constant pulse energy. In the case of a freely triggerable input laser, this can cover a very wide range and change suddenly when the control signal changes. These changes must be countered with adapted pump powers in the optical amplifier.

Die Wirkung des optischen Verstärkers hängt sehr stark von der Inversion ab, also davon, wie viele Ionen sich im angeregten Zustand befinden. Bei höherer mittlerer Eingangsleistung muss mehr Pumplicht zugeführt werden, bei geringer mittlerer Eingangsleistung muss die Pumpleistung reduziert werden, um den Verstärker vor Zerstörung zu schützen.The effect of the optical amplifier depends very much on the inversion, ie how many ions are in the excited state. With higher average input power, more pump light must be supplied, with low average input power, the pump power must be reduced to protect the amplifier from destruction.

Da die Qualität des Spektrums am Ende der nichtlinearen Faser stark von der Pulsspitzenleistung des Laserpulses abhängt, muss gewährleistet sein, dass diese möglichst konstant und unabhängig von der Pulswiederholfrequenz ist. Deshalb muss nicht nur zum Schutz des Verstärkers sondern auch zur Erhaltung der Qualität des Spektrums die Pumpleistung an die mittlere Eingangsleistung angepasst werden.Since the quality of the spectrum at the end of the nonlinear fiber strongly depends on the pulse peak power of the laser pulse, it must be ensured that this is as constant as possible and independent of the pulse repetition frequency. Therefore, not only to protect the amplifier but also to preserve the quality of the spectrum, the pump power must be adjusted to the average input power.

Zu diesem Zweck wird die Größe der mittleren Leistung an mehreren Stellen überwacht. Die Pumpleistungen der einzelnen Verstärkerstufen werden von einem Mikrokontroller so gesteuert, dass sich der Gesamtaufbau in einem optimalen Betriebszustand befindet. Das Nutzsignal am Ausgang des Wellenlängenselektors kann ebenfalls permanent überwacht werden.For this purpose, the size of the average power is monitored in several places. The pump powers of the individual amplifier stages are controlled by a microcontroller so that the overall structure is in an optimal operating state. The useful signal at the output of the wavelength selector can also be permanently monitored.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.Further details and features will become apparent from the following description of preferred embodiments. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. The possibilities to solve the problem are not limited to the embodiments. For example, area information always includes all - not mentioned - intermediate values and all imaginable subintervals.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigt:The embodiments are shown schematically in the figures. In detail shows:

1 eine schematische Darstellung der Lichtquelle; 1 a schematic representation of the light source;

2 eine schematische Darstellung einer Lichtpulsfolge; und 2 a schematic representation of a light pulse train; and

3 eine schematische Darstellung einer Lichtpulsfolge mit unterschiedlichen Wellenlängen. 3 a schematic representation of a light pulse sequence with different wavelengths.

Aufbauconstruction

1 zeigt einen Diodenlaser 1. Der Diodenlaser 1 nutzt einen Gallium-Arsenid-Multiquantumwell-Laserchip und emittiert infrarotes Licht im Bereich zwischen 1000 und 1070 nm. Die Pulslängen liegen im Bereich von 50 bis 120 ps, bei ca. 1 W Spitzenleistung bzw. Pulsenergien von bis zu 100 pJ. 1 shows a diode laser 1 , The diode laser 1 uses a gallium arsenide multi-quantum well laser chip and emits infrared light in the range between 1000 and 1070 nm. The pulse lengths are in the range of 50 to 120 ps, with about 1 W peak power and pulse energies of up to 100 pJ.

Das Licht des Diodenlasers 1 wird in eine erste Stufe 2 eines optischen Verstärkers eingekoppelt. Der optische Verstärker besteht aus einem dotierten Faserverstärker, welche zahlreich in der Literatur beschrieben sind. Lichtwellenleiter die mit Ionen von Metallen der seltenen Erden dotiert sind werden durch intensives Pumplicht 21 in einen angeregten Zustand versetzt. Durch stimulierte Emission, verursacht durch das gepulste Eingangslicht, entsteht der optische Verstärkungseffekt.The light of the diode laser 1 will be in a first stage 2 an optical amplifier coupled. The optical amplifier consists of a doped fiber amplifier, which are numerous described in the literature. Optical waveguides doped with ions of rare earth metals become intense by pumping light 21 put into an excited state. Stimulated emission caused by the pulsed input light causes the optical amplification effect.

Vorzugsweise kommt ein zweistufiger Ytterbium-dodierter Faserverstärker (YDFA) 2, 3 zum Einsatz. YDFA haben ihr Verstärkungsmaximum bei 1030 nm und Absorptionsmaxima bei 976 nm und 915 nm. Die erste Stufe 2 besteht aus einer stark Ytterbium-dotierten Single-Mode-Faser, in deren Kern 976 nm Pumplicht mittels eines Wavelength Division Multiplexers (WDM) eingekoppelt wird. Die Leistungsstufe 3 besteht entweder aus einer Doppelkernfaser, bei der das Pumplicht in eine zweite Lage zwischen Kern und Mantel eingekoppelt wird, oder aus einer Large Mode Area Faser (LMA-Faser) mit einem Kerndurchmesser von 30 μm oder mehr, die aber durch eine spezielle Lochstruktur im Mantel Eigenschaften von Single-Mode-Fasern besitzt. Die zweite Verstärkerstufe 3 wird von mehreren Pumpdioden 21 bei 976 nm oder 915 nm und 10 bis 50 W Pumpleistung getrieben.Preferably, a two-stage ytterbium-dodded fiber amplifier (YDFA) is used 2 . 3 for use. YDFA have their gain maximum at 1030 nm and absorption maxima at 976 nm and 915 nm. The first stage 2 consists of a heavily ytterbium-doped single-mode fiber, in whose core 976 nm pump light is coupled by means of a Wavelength Division Multiplexer (WDM). The performance level 3 consists either of a double-core fiber, in which the pumping light is coupled into a second layer between the core and the cladding, or of a large-mode-area fiber (LMA-fiber) with a core diameter of 30 μm or more, but through a special hole structure in the cladding Possesses properties of single-mode fibers. The second amplifier stage 3 is powered by several pump diodes 21 at 976 nm or 915 nm and 10 to 50 W pump power.

Im Ergebnis dieser Verstärkung liegen infrarote Pulse mit Spitzenleistungen größer 1 kW vor.As a result of this amplification, there are infrared pulses with peak powers greater than 1 kW.

Die verstärkten Lichtpulse werden zur spektralen Verbreiterung in eine Photonische Kristallfaser (PCF) 4 eingekoppelt. In einer Photonischen Kristallfaser können optische Parameter durch gezielte Anordnung von Luftlöchern im Fasermantel verändert werden. Durch eine spezielle chromatische Dispersion in der Faser können verschiedene nichtlineare Effekte (im Wesentlichen die eingangs genannten Selbstphasenmodulation, Vierwellenmischung und Raman-Streuung) gezielt zur Verbreiterung des Spektrums ausgenutzt werden. Abhängig von Spitzenleistung der Laserpulse und Länge der Faser verbreitert sich das Spektrum ausgehend von der eingespeisten Wellenlänge von etwa 1060 nm mehr und mehr, bis der gesamte sichtbare und nahinfrarote Bereich abgedeckt wird. Da die Pulsenergie hierbei nicht nur die Intensität, sondern auch die Form des Spektrums beeinflusst, ist der Einfluss der Pulsenergie des infraroten Eingangspulses auf die Pulsenergie bei einer bestimmten sichtbaren Wellenlänge am Ende der PCF besonders gross [s. a. W. J. Wadsworth et al., ”Supercontinuum generation and four-wave mixing with Q-switched Pulses in endlessly single-mode photonic crystal fibres”, Opt. Express 12 (2), 299 (2004)].The amplified light pulses are used for spectral broadening into a photonic crystal fiber (PCF) 4 coupled. In a photonic crystal fiber optical parameters can be changed by targeted arrangement of air holes in the fiber cladding. By means of a special chromatic dispersion in the fiber, various nonlinear effects (essentially the above-mentioned self-phase modulation, four-wave mixing and Raman scattering) can be exploited specifically for broadening the spectrum. Depending on peak power of the laser pulses and Length of the fiber, the spectrum widens more and more, starting from the injected wavelength of about 1060 nm, until the entire visible and near-infrared region is covered. Since the pulse energy influences not only the intensity but also the shape of the spectrum, the influence of the pulse energy of the infrared input pulse on the pulse energy at a certain visible wavelength at the end of the PCF is particularly large [sa WJ Wadsworth et al., Supercontinuum generation and four-wave mixing with Q-switched pulses in endlessly single-mode photonic crystal fibers ", Opt. Express 12 (2), 299 (2004)].

Typische Faserlängen liegen im Bereich von z. B. 0,1 bis 10 m oder mehr; die Länge hängt vom Fasertyp und von der eingekoppelten Pulsenergie ab.Typical fiber lengths are in the range of z. 0.1 to 10 meters or more; the length depends on the fiber type and the coupled pulse energy.

Abschließend durchläuft der Weißlicht-Puls den Wellenlängenselektor 5.Finally, the white light pulse passes through the wavelength selector 5 ,

Im Ergebnis werden Pulse mit wählbarer Wellenlänge im sichtbaren Bereich erreicht, mit Pulslängen im Bereich von 100 ps und Pulsenergien im Bereich von 1–10 pJ/nm.As a result, selectable wavelength pulses are achieved in the visible range, with pulse lengths in the range of 100 ps and pulse energies in the range of 1-10 pJ / nm.

Steuerungcontrol

Da die Pulsenergie der Ausgangspulse stark von diversen Parametern der vorhergehenden Stufen der Lichtquelle abhängt, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Pulsenergie der Ausgangspulse zu stabilisieren.Since the pulse energy of the output pulses depends strongly on various parameters of the preceding stages of the light source, various measures are taken to stabilize the pulse energy of the output pulses.

Zum einen werden die mittleren Leistungen des Lichts am Ausgang der einzelnen Stufen mittels geeigneten Messgeräten 22 überwacht.On the one hand, the average power of light at the output of each stage by means of suitable measuring devices 22 supervised.

Zum anderen weist die Lichtquelle eine Steuerung 6 auf. Die Steuerung 6 regelt und überwacht die Pumpleistung aller Verstärkerstufen. Damit wird sichergestellt, dass unter wechselnden Eingangsbedingungen (insbesondere wechselnder mittlerer Wiederholfrequenz) konstante Ausgangsbedingungen (Pulsenergie bei gewählter Wellenlänge) sichergestellt sind. An mehreren Stellen wird mittels Sensoren die mittlere Leistung am Ausgang der jeweiligen Stufe gemessen und mit Sollwerten verglichen. Die Pumpleistungen der einzelnen Verstärkerstufen werden entsprechend nachgeregelt. Erfahrungsbasierte Regelalgorithmen oder ggf. Wertetabellen für unterschiedliche Betriebsmodi stellen zu jeder Zeit den optimalen Betrieb sicher. Die optionale Überwachung des eigentlichen Nutzsignals hinter dem Wellenlängenselektor erlaubt zusätzlich den Ausgleich von Inhomogenitäten des Weisslichtspektrums unter wechselnden Bedingungen.On the other hand, the light source has a controller 6 on. The control 6 regulates and monitors the pumping power of all amplifier stages. This ensures that constant output conditions (pulse energy at the selected wavelength) are ensured under changing input conditions (in particular changing average repetition frequency). At various points, the average power at the output of the respective stage is measured by means of sensors and compared with reference values. The pump powers of the individual amplifier stages are readjusted accordingly. Experience-based control algorithms or possibly value tables for different operating modes ensure optimal operation at all times. The optional monitoring of the actual useful signal behind the wavelength selector additionally allows the compensation of inhomogeneities of the white light spectrum under changing conditions.

Beispiele erzeugter PulsmusterExamples of generated pulse patterns

2 zeigt eine mit der Lichtquelle gemäß 1 erzeugbare Pulsfolge bei einer Wellenlänge. Erzeugt wurde eine Abfolge von Pulspaketen (sog. Bursts) 24. Ein Burst 24 besteht aus jeweils (in diesem Beispiel) vier Pulsen 26. Aufgetragen ist die Lichtleistung P über der Zeit t. 2 shows one with the light source according to 1 can be generated at one wavelength. A sequence of pulse packets (so-called bursts) was produced 24 , A burst 24 consists of (in this example) four pulses 26 , Plotted is the light output P over time t.

Typische Pulsabstände (auch für periodische Pulse) liegen im Bereich von 10 bis 1.000 ns. Abstände zwischen den Bursts liegen im Bereich von 100 bis 10.000 ns.Typical pulse intervals (also for periodic pulses) are in the range of 10 to 1,000 ns. Distances between the bursts are in the range of 100 to 10,000 ns.

Eine solche Art von Burstfolgen ist wichtig, um z. B. Moleküle durch eine kurzzeitig intensive Anregung (Burst) in einen bestimmten Zustand (z. B. Triplett) anzuregen. Die auf den Burst folgende längere Anregungspause ermöglicht die gezielte Beschränkung der Verweildauer in diesem Zustand um zum Beispiel die Anregung in höhere Triplettzustände zu minimieren [siehe z. B. Donnert G., Eggeling C., Hell SW.: ”Tripletrelaxation microscopy with bunched pulsed excitation”, Photochemical & Photobiological Sciences, Vol. 8(4), Seiten 481–485, 2009].Such a kind of burst sequences is important to B. Excite molecules by a short-term intense excitation (burst) in a particular state (eg triplet). The longer excitation pause following the burst allows the targeted restriction of the residence time in this state in order, for example, to minimize the excitation into higher triplet states [see, for example, US Pat. B. Donnert G., Eggeling C., Hell SW .: "Triplex relaxation microscopy with bunched pulsed excitation", Photochemical & Photobiological Sciences, Vol. 8 (4), pp. 481-485, 2009].

3 zeigt eine andere mit der Lichtquelle gemäß 1 erzeugbare Pulsfolge bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen (durchgezogene und gestrichelte Linie). Erzeugt wurde wieder eine Abfolge von Pulspaketen (sog. Bursts) 30. Ein Burst 30 besteht in diesem Beispiel aus jeweils zunächst zwei Pulsen 32 der ersten Wellenlänge gefolgt von vier Pulsen 34 der zweiten Wellenlänge. Aufgetragen ist wieder die Lichtleistung P über der Zeit t. 3 shows another with the light source according to 1 can be generated at two different wavelengths (solid and dashed lines). Again a sequence of pulse packets (so-called bursts) was produced 30 , A burst 30 consists in this example from each first two pulses 32 the first wavelength followed by four pulses 34 the second wavelength. Plotted is again the light output P over the time t.

Dabei können z. B. die Pulse der ersten Wellenlänge von einem frei triggerbaren, gepulsten Diodenlaser stammen, während die Pulse der zweiten Wellenlänge aus einer als Slave betriebenen Lichtquelle stammen, wie sie hier beschrieben ist.This z. For example, the pulses of the first wavelength originate from a freely triggerable, pulsed diode laser, while the pulses of the second wavelength originate from a slave operated light source as described herein.

Zwischen den einzelnen Pulsen 32, 34 besteht z. B. ein zeitlicher Abstand von 12 ns. Zwischen den Bursts 30 besteht ein Abstand von z. B. 5 × 12 ns = 60 ns.Between the individual pulses 32 . 34 exists z. B. a time interval of 12 ns. Between the bursts 30 there is a distance of z. B. 5 × 12 ns = 60 ns.

Derartige Pulsmuster sind zum Beispiel bei der Zwei- oder auch Mehrfarbanregung von FRET Paaren notwendig, um den Energieübertrag zwischen den FRET-Fluorophoren und damit deren Abstand charakterisieren zu können.Such pulse patterns are necessary, for example, in the two- or multi-color excitation of FRET pairs in order to characterize the energy transfer between the FRET fluorophores and thus their distance.

Eine unterschiedliche Anzahl von Pulsen pro Wellenlänge kann genutzt werden, um bei bereits maximaler Anregungsleistung pro Puls dennoch über die Pulsfolge integriert für verschiedene Anregungsfarben unterschiedliche Anregungsleistungen zu realisieren. Auf diese Weise können Unterschiede im Absorptionskoeffizienten oder der Detektionseffizienz ausgeglichen werden. Auch können auf diese Weise spezielle statistisch relevante Detektionssignalverhältnisse eingestellt werden [siehe z. B. Zarrabi N., Ernst S., Düser M. G., Golovina-Leiker A., Becker W., Erdmann R., Dunn S. D., Börsch M.: ”Simultaneous monitoring of the two coupled motors of a single FoF1-ATP synthase by three-color FRET using duty cycleoptimized triple-ALEX”; Proceedings of SPIE, Vol. 7185, Seiten 718505-718505-14 (2009)]. Daneben sollten Bursts mit unterschiedlichen Farben aus den oben für einfarbige Bursts genannten Gründen ebenso mit Anregungspausen kombiniert werden können.A different number of pulses per wavelength can be used in order to realize different excitation powers even at maximum excitation power per pulse, yet integrated via the pulse sequence for different excitation colors. In this way, differences in the absorption coefficient or the detection efficiency can be compensated. It is also possible in this way to set special statistically relevant detection signal ratios [see, for example, US Pat. B. Zarrabi N., Ernst S., Düser MG, Golovina-Leiker A., Becker W., Erdmann R., Dunn SD, Börsch M .: "Simultaneous monitoring of the two coupled motors of a single FoF1-ATP synthase by three-color FRET using duty-cycle optimized triple-ALEX "; Proceedings of SPIE, Vol. 7185, pages 718505-718505-14 (2009)]. In addition, bursts of different colors for the reasons mentioned above for monochrome bursts should also be combined with stimulation pauses.

Ähnliche Pulsregime werden z. B. in der Gewebespektroskopie angewendet, wo verschiedene Wellenlängen quasi-simultan unterschiedliche Gewebeeigenschaften abfragen.Similar pulse regimes are z. B. used in tissue spectroscopy, where different wavelengths quasi-simultaneously query different tissue properties.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Diodenlaserdiode laser
22
erste Stufe des optischen Verstärkersfirst stage of the optical amplifier
33
zweite Stufe des optischen Verstärkerssecond stage of the optical amplifier
44
nicht-lineare Faser zur spektralen Verbreiterungnon-linear fiber for spectral broadening
55
Wellenlängenselektorwavelength
66
Steuerungcontrol
2121
Pumpdiodenpump diodes
2222
Messgerät für die mittlere LeistungMedium power meter
2424
Burstburst
2626
Lichtpulslight pulse
3030
Burstburst
3232
Pulsen der ersten WellenlängePulses of the first wavelength
3434
Pulsen der zweiten WellenlängePulses of the second wavelength

Claims (1)

Lichtquelle mit a) einem elektrisch frei triggerbaren Diodenlaser (1) zur Erzeugung von Lichtpulsen; b) einem mehrstufigen optischen Verstärker (2, 3) für die von dem Diodenlaser erzeugten Lichtpulse; c) einer nichtlinearen Faser (4) zur spektralen Verbreiterung der verstärkten Lichtpulse; d) einem Wellenlängenselektor (5) zur Selektion von Teilen des Spektrums der verstärkten und spektral verbreiterten Lichtpulse; e) einer Steuerung (6) zur Regelung und Überwachung der Pumpleistungen aller optischen Verstärkerstufen (2, 3) derart, dass bei wechselnder mittlerer Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse eine konstante Pulsenergie der Lichtpulse bei der selektierten Wellenlänge sichergestellt ist.Light source with a) an electrically freely triggerable diode laser ( 1 ) for generating light pulses; b) a multi-stage optical amplifier ( 2 . 3 ) for the light pulses generated by the diode laser; c) a nonlinear fiber ( 4 ) for the spectral broadening of the amplified light pulses; d) a wavelength selector ( 5 ) for selecting parts of the spectrum of the amplified and spectrally broadened light pulses; e) a controller ( 6 ) for controlling and monitoring the pump powers of all optical amplifier stages ( 2 . 3 ) such that at alternating average repetition frequency of the light pulses, a constant pulse energy of the light pulses is ensured at the selected wavelength.
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